摘要

    為了實現對自動化碼頭設備運行狀態、堆場集裝箱布局、碼頭作業計劃等內容進行遠程實時可視化監控和管理，基于Unity 3D軟件，設計開發集裝箱碼頭數字孿生系統。利用三維建模軟件，構建1:1比例的港口起重機三維模型，并將模型導入Unity 3D軟件中。

    利用上述模型和其他港區設備、環境模型，搭建1:1比例的集裝箱碼頭虛擬三維場景；運用C#語言編寫數據通信和設備驅動等程序，實現虛擬集裝箱碼頭同步運行。經測試表明，該系統可以實時采集碼頭相關數據，并驅動虛擬集裝箱碼頭中的設備模型同步運行，實現集裝箱碼頭的數字孿生。

    1.引言

    自20世紀60年代標準航運集裝箱引進以來，全球集裝箱運輸量穩步增長。隨著集裝箱運輸規模的不斷擴大，對集裝箱碼頭裝卸效率的要求也越來越高。設備自動化作為提高裝卸效率和降低人工成本的有效途徑之一，逐漸受到碼頭經營者的青睞，全球自動化碼頭的建設熱潮也愈演愈烈。

    與傳統碼頭不同，自動化碼頭的集裝箱起重設備，例如岸邊集裝箱起重機（以下簡稱“岸橋”）、堆場集裝箱起重機（以下簡稱“場橋”）等，基本采用“自動運行+遠程控制”的作業模式，設備的控制和管理都集中在碼頭遠程控制中心。于是，自動化集裝箱碼頭數字孿生系統應運而生。

    數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應實體裝備的全生命周期過程。

    在自動化集裝箱碼頭中，運用數字孿生技術，構建集裝箱碼頭數字孿生系統，可以將現實碼頭設備的運行情況和相關數據映射到虛擬世界中，以三維圖像的形式進行同步展現和管理。碼頭管理人員可以在不進入碼頭、不影響碼頭作業和保障個人安全的情況下，隨時查看集裝箱起重機作業情況和碼頭整體運行情況，及時發現異常，從而有效提高碼頭管理水平和效率。

    2.系統整體架構

    集裝箱碼頭數字孿生系統整體架構見圖1，自下而上可以劃分為設備層、數據層、軟件層和顯示層等。

    圖1 集裝箱碼頭數字孿生系統整體架構

    設備層主要包括岸橋、場橋、集裝箱卡車（以下簡稱“集卡”）等設備。在本系統中，需要利用通信接口采集上述設備實時位置、運行速度、故障信息等數據。

    數據層主要負責對采集的碼頭相關數據進行存儲和管理，并與集裝箱碼頭虛擬三維場景通信，驅動場景中相關模型運動。

    軟件層主要包括利用Unity 3D軟件搭建的集裝箱碼頭虛擬三維場景及其驅動程序，其中：虛擬場景中主要包括岸橋模型、場橋模型、集卡模型、集裝箱模型等相關模型；驅動程序主要包括設備驅動程序、數據通信程序；等等。

    顯示層主要負責將集裝箱碼頭數字孿生系統顯示到指定的人機交互界面上，對設備運行狀態、設備具體位置、碼頭相關數據等內容進行展示。

    3.數據層

    在數據層中，利用通信協議開發通信接口，建立系統與碼頭現場作業設備、碼頭管理系統（TOS）、設備管理系統、集卡定位系統、碼頭其他相關系統的通信連接，采集集裝箱碼頭數字孿生系統所需數據。例如：與TOS通信，獲取碼頭整體作業計劃、各集裝箱起重運輸設備的作業任務列表、堆場集裝箱分布、作業集裝箱箱型和箱號等信息；與設備管理系統通信，獲取場橋、岸橋大車、岸橋小車、起升機構等的實時位置和運行速度、吊具伸縮尺寸和負載情況、吊具下集裝箱質量、設備故障信息等數據；與集卡定位系統通信，可獲取作業集卡的實時位置等信息。

    本系統采用SQL Server 2014數據庫軟件對上述采集的數據進行存儲和管理。在數據庫中，根據集裝箱碼頭數字孿生系統的功能需求，設計良好的數據庫結構，并根據數據來源、數據用途、數據種類等對數據進行分類管理。

    4.軟件層

    在軟件層的集裝箱碼頭虛擬三維場景主要包括岸橋、場橋、集卡、集裝箱等相關模型和高桿燈、護欄、閘口、道路、中控室等港區環境模型。在構建設備三維模型時，參照設備CAD機械設計圖紙，可構建與真實設備1:1比例的三維模型。該模型具有大車、小車、俯仰機構、起升機構、吊具等與真實設備相同的運行機構。在驅動程序的驅動下，上述機構能單獨運動，可逼真模擬真實設備裝卸集裝箱時的動作。部分設備三維模型見圖2。

圖2 部分設備三維模型（上-岸橋/下-場橋）

    根據目標集裝箱碼頭的布局，利用上述三維模型，在Unity 3D軟件中搭建與目標集裝箱碼頭1:1比例的碼頭三維虛擬場景。在場景中，根據碼頭現場實際照片，對設備、建筑等模型進行貼圖、材質渲染，使其具有真實的外觀質感效果。此外，在場景中利用天空盒和水特效模擬天空和大海，使碼頭虛擬三維場景與真實碼頭具有相似的視覺效果。集裝箱碼頭虛擬三維場景見圖3。

圖3 集裝箱碼頭虛擬三維場景

    虛擬場景中的集裝箱起重運輸設備還配有驅動程序。當虛擬場景通信接口接收到設備運行數據后，驅動程序會驅動虛擬場景中起重機對應的機構進行同樣的動作，實現虛擬設備與真實設備的有效聯動。

    5.顯示層

    當集裝箱碼頭虛擬三維場景搭建完畢后，系統將生成的圖像投放到顯示層的顯示器上，碼頭管理人員通過觀察圖像，可及時、便捷地了解碼頭當前運行情況。用戶可點擊虛擬場景中運行的設備或顯示界面上的按鈕，查詢設備的基本參數、當前狀態、當前作業任務、運維狀態和碼頭典型KPI等相關信息。當碼頭某一設備發生故障時，系統會采集故障信息并傳遞到虛擬場景中，場景中對應的設備模型會進行文字顯示和閃爍報警，設備維修人員可以根據故障提示快速定位故障并排除故障。

    此外，顯示層還具有交互式漫游功能。用戶可以在不進入碼頭現場、不影響碼頭作業和保障個人安全的情況下，使用鼠標、鍵盤等在虛擬場景中自主進行縮放、移動、旋轉等操作，觀察更多碼頭細節信息。同時，用戶還可以通過按鈕切換不同視角（集卡視角、場橋視角、岸橋視角等），對碼頭、設備進行監視和觀察。

    6.環境渲染

    為達到逼真的視覺效果，需對集裝箱碼頭虛擬三維場景進行有效渲染，例如燈光渲染、天氣渲染等。燈光渲染主要用于模擬集裝箱碼頭光照效果。在集裝箱碼頭虛擬場景中添加有主光源和高桿燈光源，其中：主光源用于模擬太陽，控制整個場景的明暗變化；高桿燈光源用于照亮碼頭作業區域。當與現實時間同步后，系統可以根據具體時間調整主光源的位置和光照強度，模擬太陽的東升西落；當系統運行到晚上時，場景中的高桿燈光源會隨著真實碼頭高桿燈的開關自動進行亮滅，實現與真實碼頭相同的光照效果。

    天氣渲染主要用于模擬真實碼頭不同的氣候情況，例如晴天、多云、雨天、霧天等。在集裝箱碼頭虛擬場景中添加有天空盒和一些氣候相關插件，通過編程可以控制不同氣候現象切換。當系統獲取碼頭當地的氣象信息時，可以根據氣象信息改變集裝箱碼頭虛擬場景中的氣候狀況，達到與現實碼頭氣候一致的效果。集裝箱碼頭虛擬場景渲染效果見圖4。

圖4  集裝箱碼頭虛擬場景渲染效果（上-夜晚、中-雨天、下-霧天）

    結語

    本文以Unity 3D軟件為系統開發平臺，設計開發集裝箱碼頭數字孿生系統。該系統可以實時采集碼頭及其設備等相關數據，并驅動虛擬集裝箱碼頭與真實碼頭同步運行，實現集裝箱碼頭的數字孿生。通過該系統，碼頭管理人員可以方便、快捷地了解碼頭整體運行情況，及時發現并解決集裝箱裝卸過程中產生的問題，為集裝箱碼頭高效、可靠運行提供有力保障。

    文章刊發于《港口科技》2021年第7期；作者：陳培，劉超，蔡黃河；版權歸原作者所有，轉載旨在分享。